開關電容穩(wěn)壓器 (06-100)

　　當今移動電話產(chǎn)業(yè)日益增長的趨勢是要減少對核處理器電壓供應，同時要滿足達到更高效率以擴展電池壽命的要求。越來越多應用都要求降壓轉(zhuǎn)換，如應用處理器、存儲器和RF塊設計都被列在其中。根據(jù)負載和空間參數(shù)，目前，用于這個應用空間的兩個最流行的解決方案是開關穩(wěn)壓器和低壓降(LDO)穩(wěn)壓器。

　　從效率的角度看，一個開關穩(wěn)壓器就是最佳的選擇。然而，當部件高度和解決方案的尺寸限度超出了電感器的使用范圍時，一個轉(zhuǎn)換器可能會采用LDO(低壓降)或開關電容穩(wěn)壓器的形式。多數(shù)時候電源解決方案都不能提供較多的板上空間，一個開關轉(zhuǎn)換器就會有一個比LDO和開關電容穩(wěn)壓器更大的解決方案尺寸。圖1將典型的開關穩(wěn)壓器與LM2770(一個典型的開關電容穩(wěn)壓器)在解決方案尺寸上進行比較。我們可以看到顯示出來的開關電容器的解決方案尺寸大約為45mm2，當所要求的電壓與電池電壓相近的時候LDO的工作效率是最高的，但當電壓的偏離值很遠時，LDO效率就會很低。想象一下以一個充電至3.6V的Li-Ion電池，為一個僅要求1.5V電壓的微處理器供電。把電池電壓與一個1.5V LDO相連接可為微處理器產(chǎn)生一個穩(wěn)定和小的電流，但是功耗是相當顯著的。LDO消耗功率(PD)等于負載電流(ILOAD)與輸入和輸出電壓的差相乘(PD = ILOAD *(3.6-1.5) = ILOAD *2.3V)。換句話說，LDO作為一個降壓轉(zhuǎn)換器在這個例子中僅產(chǎn)生42%的效率。這意味著LDO不得不消耗剩余功率，而且這能引起裸片溫度的一個大的增高，這個溫度進而可能會引起可靠性的問題。

　　由于具有電壓增益的關系，一個開關電容穩(wěn)壓器是比線性穩(wěn)壓器更有效的解決方案，這個電壓增益是通過在雙相位(充電相位和傳輸相位)中的堆疊電容器和并行電容器所取得的輸入電壓與輸出電壓比率。例如：位于增益配置中的一個開關電容轉(zhuǎn)換器的1/2將把一個3.6V的輸入電壓(VIN)轉(zhuǎn)變?yōu)?.8V的輸出電壓(VOUT)。如果要求的電壓(VOUT)是1.5V，那么功耗僅為300mV與負載電流的乘積。這相當于83%的效率。

　　隨著VIN的增長，由轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的VIN和VOUT 間的增量增長引起功率消耗的增長和效率的下降。解決這個問題的一個方式是轉(zhuǎn)變成一個更高的效率增益，就像給汽車替換齒輪一樣。圖2顯示了一個開關電容器降壓穩(wěn)壓器，一個LDO及一個開關電容器的效率曲線。開關電容器具有一個模擬增益控制和增益變化以保持一個給定負載效率的持續(xù)性。開關電容器并具有離散增益步驟，由VOUT/(增益 *VIN)與離散增益來決定效率的高低。一個LDO僅有1的增益及三者中最低的效率。開關電容器(SC)穩(wěn)壓器則有三個不同的電壓增益(2/3，1/2和1/3)。我們可以看到，開關電容穩(wěn)壓器隨著VIN 的增長，電壓增益從2/3轉(zhuǎn)到1/2以及從1/2到1/3，因此整個負載范圍的效率達到最大化。這就帶來了在Li-ion 范圍上(3.4V到3.8V)80%的效率。在相同應用中的一個LDO僅能達到50%的效率。根據(jù)電感器種類，一個典型的開關穩(wěn)壓器大約具有88-90%的效率。